Физики описали парадокс квантовой голубятни

Почти целый век профессора физики рассказывали своим студентам о парадоксе кота Шрёдингера, идеально иллюстрирующем необычные явления квантовой механики. Теперь же международная команда учёных во главе с Джеффом Толлаксеном (Jeff Tollaksen) придумали новый интересный мысленный эксперимент, которым они хотели продемонстрировать и другие квантовые эффекты.

Новый парадокс называется эффектом квантовой голубятни ("quantum-pigeonhole effect"). Всё начинается с наблюдения, когда вы помещаете трёх голубей в две ячейки — в одной из них в итоге окажется два голубя. Но согласно анализу квантовой природы, ни один из голубей не способен разделить одну ячейку с собратом.

"Это одно из тех явлений, которое на первый взгляд кажется невероятным. Но это и прямое следствие из квантовой механики", — поясняет Толлаксен, ведущий автор нового исследования.

В классической физике если вы знаете начальное состояние некой системы, то в принципе, вы располагаете достаточным количеством информации для определения конечного состояния системы. Но в 1964 году Якир Ааронов (Yakir Aharonov) из университета Чапмен и Тель-Авивского университета обнаружил, что в квантовой механике начальное и конечное состояние системы могут быть полностью независимыми друг от друга.

Совместно Ааронов и Толлаксен описали это квантовоемеханическое свойство через мысленный эксперимент с квантовой голубятней. Они считают, что эффект будет возникать, когда наблюдатель совершает последовательность измерений, пытаясь уместить трёх "голубей" в двух "ячейках".


"Сначала вы совершаете первоначальное измерение местоположений всех частиц. Далее вы выполняете промежуточное измерение чтобы увидеть, умещаются ли две частицы в одной коробке. И наконец, вы измеряете конечную локацию частиц. При этом первоначальное и конечное измерения могут быть полностью независимы друг от друга. А в середине эксперимента вы можете сделать то, что называется слабым измерением, для изучения всех частиц одновременно. И когда вы это сделаете, то получается, что ни в одной ячейке нету двух голубей", — рассказывает Толлаксен.

Выводы из этих экспериментов дополняют известный парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена. В рамках этого сценария две частицы, которые стартуют в одном месте, могут находиться в состоянии квантовой запутанности. Тогда измерение состояния первой частицы повлияет на состояние второй, даже если они разделены огромным расстоянием.

"Парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена является одним из самых важных фундаментальных открытий в науке. Но это только половина всей увлекательной истории. Принцип квантовой голубятни объясняет несколько иную ситуацию. Три частицы могут стартовать отдельно друг от друга без квантовой запутанности или любых других корреляций. Именно экспериментатор собирает их вместе и заставляет взаимодействовать посредством умещения трёх частиц в две ячейки. На промежуточном этапе частицы оказываются максимально тесно связанными, но на конечном этапе не коррелируют вообще", — поясняет Толлаксен.

Впервые подобное явление описали ещё Эйнштейн, Подольский и Розен (фото Wikimedia Commons).

Физики утверждают, что их концепция может быть едва ли не более значимой для науки, чем парадокс ЭПР. Для проверки своих выводов Толлаксен и его коллеги предлагают провести простой эксперимент, в котором три электрона будут путешествовать через интерферометр. По сути, это разделитель пучка, который создаёт два отдельных пути для электронов, которые затем встречаются снова. А поскольку существует только два возможных пути, можно будет ожидать лишь что по крайней мере, два электрона из трёх разделят один из этих путей.

Если это так, то две частицы будут находиться очень близко друг к другу и взаимодействовать: их идентичные электрические заряды будут отталкиваться друг от друга, слегка отклоняя траектории. Физики смогут обнаружить эти отклонения, когда все три электрона воссоединятся после объединения путей. Но Толлаксен говорит, что судя по расчётам, этого не произойдёт и два электрона не пойдут по одному пути.

Учёные убеждены, что парадокс в скором времени будет доказан экспериментально.